L'industria aeronautica produce il 2 percento delle emissioni globali di biossido di carbonio indotte dall'uomo. Questa percentuale può sembrare relativamente ridotta - per la prospettiva, la produzione di elettricità e il riscaldamento domestico rappresentano oltre il 40 percento - ma l'aviazione è una delle fonti di gas serra a più rapida crescita al mondo. Si prevede che la domanda di viaggi aerei raddoppierà nei prossimi 20 anni.
Le compagnie aeree sono sotto pressione per ridurre le loro emissioni di carbonio e sono altamente vulnerabili alle fluttuazioni globali del prezzo del petrolio. Queste sfide hanno suscitato un forte interesse per i carburanti a reazione derivati dalla biomassa. Il bio-jet fuel può essere prodotto da vari materiali vegetali, tra cui colture oleaginose, colture di zucchero, piante amidacee e biomassa lignocellulosica, attraverso vari percorsi chimici e biologici. Tuttavia, le tecnologie per convertire l'olio in carburante per jet sono in una fase di sviluppo più avanzata e producono un'efficienza energetica più elevata rispetto ad altre fonti.
Stiamo progettando la canna da zucchero, lo stabilimento più produttivo al mondo, per produrre olio che può essere trasformato in combustibile a bio-getto. In uno studio recente, abbiamo scoperto che l'uso di questa canna da zucchero ingegnerizzata potrebbe produrre oltre 2.500 litri di carburante a bio-jet per acro di terra. In termini semplici, ciò significa che un Boeing 747 potrebbe volare per 10 ore con carburante a bio-jet prodotto su soli 54 acri di terra. Rispetto a due fonti di piante concorrenti, la soia e la jatropha, il lipidcane produrrebbe rispettivamente circa 15 e 13 volte più carburante per unità di terra.
Creazione di canna da zucchero a doppio scopo
I carburanti a bio-jet derivati da materie prime ricche di petrolio, come la camelina e le alghe, sono stati testati con successo in prova di voli concettuali. L'American Society for Testing and Materials ha approvato una miscela 50:50 di carburante per jet a base di petrolio e carburante per jet rinnovabile idroprocessato per voli commerciali e militari.
Tuttavia, anche dopo importanti sforzi di ricerca e commercializzazione, gli attuali volumi di produzione di bio-jet fuel sono molto piccoli. Realizzare questi prodotti su larga scala richiederà ulteriori miglioramenti tecnologici e abbondanti materie prime a basso costo (colture utilizzate per produrre il combustibile).
La canna da zucchero è una fonte ben nota di biocarburanti: il Brasile ha fermentato il succo di canna da zucchero per produrre carburante a base alcolica per decenni. L'etanolo dalla canna da zucchero produce il 25 percento in più di energia rispetto alla quantità utilizzata durante il processo di produzione e riduce le emissioni di gas serra del 12 percento rispetto ai combustibili fossili.
Raccolta della canna da zucchero in Brasile (Jonathan Wilkins, CC BY-SA) Ci siamo chiesti se potremmo aumentare la produzione di olio naturale della pianta e utilizzare l'olio per produrre biodiesel, che offre benefici ambientali ancora maggiori. Il biodiesel produce il 93 percento in più di energia di quanto è necessario per produrlo e riduce le emissioni del 41 percento rispetto ai combustibili fossili. L'etanolo e il biodiesel possono essere entrambi utilizzati nel carburante a bio-jet, ma le tecnologie per convertire l'olio di origine vegetale in carburante per jet sono in una fase avanzata di sviluppo, producono un'elevata efficienza energetica e sono pronte per l'impiego su larga scala.
Quando abbiamo proposto per la prima volta l'ingegneria della canna da zucchero per produrre più petrolio, alcuni dei nostri colleghi hanno pensato che fossimo matti. Le piante di canna da zucchero contengono solo lo 0, 05% di olio, che è troppo poco per convertirsi in biodiesel. Molti scienziati delle piante hanno teorizzato che aumentare la quantità di petrolio all'1 percento sarebbe tossico per la pianta, ma i nostri modelli computerizzati prevedevano che potremmo aumentare la produzione di petrolio al 20 percento.
Nel 2012, con il supporto dell'Agenzia per l'energia dei progetti di ricerca avanzata del Dipartimento dell'energia, abbiamo lanciato un progetto di ricerca chiamato Plants Engineered to Replace Oil in Sugarcane and Sorghum, o PETROSS, nel 2012. Da allora, attraverso l'ingegneria genetica abbiamo aumentato la produzione di petrolio e acidi grassi per ottenere il 12% di olio nelle foglie di canna da zucchero.
Una bottiglia di olio prodotta dal PETROSS lipidcane (Claire Benjamin / University of Illinois, CC BY-ND) Ora stiamo lavorando per ottenere il 20% di petrolio - il limite teorico, secondo i nostri modelli di computer - e indirizzare questo accumulo di petrolio allo stelo della pianta, dove è più accessibile che nelle foglie. La nostra ricerca preliminare ha dimostrato che anche se le piante ingegnerizzate producono più petrolio, continuano a produrre zucchero. Chiamiamo queste piante ingegnerizzate lipidcane.
Più prodotti da lipidcane
Lipidcane offre molti vantaggi per gli agricoltori e l'ambiente. Calcoliamo che la crescita di lipidcane contenente il 20% di olio sarebbe cinque volte più redditizia per acro rispetto alla soia, la materia prima principale attualmente utilizzata per produrre biodiesel negli Stati Uniti e due volte più redditizia per acro rispetto al mais.
Per essere sostenibile, il combustibile a bio-getto deve anche essere economico da elaborare e avere alti rendimenti di produzione che riducono al minimo l'uso di seminativi. Stimiamo che rispetto ai semi di soia, un lipidcane contenente il 5% di petrolio potrebbe produrre quattro volte più carburante per jet per acro di terra. Il lipidcane con il 20% di olio potrebbe produrre più di 15 volte più carburante per acro.
E lipidcane offre altri benefici energetici. Le parti della pianta lasciate dopo l'estrazione del succo, noto come bagassa, possono essere bruciate per produrre vapore ed elettricità. Secondo la nostra analisi, questo genererebbe elettricità più che sufficiente per alimentare la bioraffineria, quindi l'energia in eccesso potrebbe essere venduta alla rete, sostituendo l'elettricità prodotta da combustibili fossili - una pratica già utilizzata in alcune piante in Brasile per produrre etanolo dalla canna da zucchero.
Un potenziale raccolto di bioenergia negli Stati Uniti
La canna da zucchero prospera su terreni marginali che non sono adatti a molte colture alimentari. Attualmente è coltivato principalmente in Brasile, India e Cina. Stiamo anche progettando che il lipidcane sia più tollerante al freddo in modo che possa essere aumentato più ampiamente, in particolare negli Stati Uniti sud-orientali su terreni sottoutilizzati.
Una mappa della regione in crescita di lipidcane resistente al freddo (PETROSS) Se dedicassimo 23 milioni di acri negli Stati Uniti sud-orientali al lipidcane con il 20 percento di petrolio, stimiamo che questo raccolto potrebbe produrre il 65 percento della fornitura di carburante per gli Stati Uniti. Attualmente, in dollari attuali, quel carburante costerebbe le compagnie aeree $ 5, 31 al gallone, che è inferiore al carburante a bio-jet prodotto da alghe o altre colture petrolifere come soia, colza o olio di palma.
Lipidcane potrebbe anche essere coltivato in Brasile e in altre aree tropicali. Come recentemente riportato in Nature Climate Change, l'espansione significativa della produzione di canna da zucchero o lipidcane in Brasile potrebbe ridurre le attuali emissioni globali di anidride carbonica fino al 5, 6%. Ciò potrebbe essere realizzato senza influire sulle aree che il governo brasiliano ha definito sensibili dal punto di vista ambientale, come la foresta pluviale.
Alla ricerca di "energycane"
La nostra ricerca sui lipidcane include anche l'ingegneria genetica della pianta per renderla fotosintetizzata in modo più efficiente, il che si traduce in una maggiore crescita. In un articolo del 2016 su Science, uno di noi (Stephen Long) e colleghi di altre istituzioni hanno dimostrato che il miglioramento dell'efficienza della fotosintesi nel tabacco ne ha aumentato la crescita del 20 percento. Attualmente, ricerche preliminari e prove sul campo fianco a fianco suggeriscono che abbiamo migliorato l'efficienza fotosintetica della canna da zucchero del 20 percento e di quasi il 70 percento in condizioni fresche.
Canna da zucchero normale (a sinistra) che cresce accanto alla canna da zucchero PETROSS ingegnerizzata, che è visibilmente più alta e più occupata, nelle prove sul campo presso l'Università della Florida. (Fredy Altpeter / University of Florida, CC BY-ND) Ora il nostro team sta iniziando a lavorare per progettare una varietà di canna da zucchero ad alto rendimento che chiamiamo "energycane" per ottenere una maggiore produzione di petrolio per acro. Abbiamo più terreno da coprire prima che possa essere commercializzato, ma lo sviluppo di un impianto praticabile con abbastanza olio per produrre economicamente biodiesel e combustibile a bio-jet è un primo passo importante.
Nota del redattore: questo articolo è stato aggiornato per chiarire che lo studio di Stephen Long e altri pubblicato su Science nel 2016 ha comportato il miglioramento dell'efficienza della fotosintesi nelle piante di tabacco.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation.
Deepak Kumar, ricercatore post dottorato, Università dell'Illinois a Urbana-Champaign
Stephen P. Long, Professore di Scienze delle colture e Biologia vegetale, Università dell'Illinois a Urbana-Champaign
Vijay Singh, professore di ingegneria agraria e biologica e direttore del laboratorio integrato di ricerca sul bioprocessing, Università dell'Illinois a Urbana-Champaign
